事故容错燃料包壳和芯块材料中子学分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
段开 展 Ａ Ｔ Ｆ的选 型工 作 。 各种 包 壳 或 芯 块 材 料 具 有 不 同 的 中 子 截
面， 会影响其中子经济性 。某种 Ａ Ｔ Ｆ具备 工程 应用价值的前提条件之一是在允许 的富集度水 平下可 保持 现有 的循 环 长度 和输 出功 率 。 本课题从压水堆燃料组件和堆芯两方面对事故
型 锆合金 的 中子 经济 性影 响不 大 。 研究 的事 故 容 错 芯 块 材 料 包 括 ｕ ， Ｓ ｉ ： 、 Ｕ Ｎ 和 Ｕ —Ｍ ０ ， 其中 Ｕ Ｎ 中 Ｎ 含 量 为 １ ０ ０ ％， Ｕ—
Ｚ ｒ ４包壳。同时分析 了 ｕ ３ ｓ ｉ ２ 一 Ｓ ｉ Ｃ和 Ｕ Ｎ— Ｓ ｉ Ｃ 两种完全 Ａ Ｔ Ｆ燃料 组件。上述分析均 以 Ｕ Ｏ ：
事故 容 错 燃 料 包 壳 和芯 块 材 料 中子 学 分 析
潘 昕怿 ， 兰兵 ， 贾斌 ， 李铁 萍 ， 韩 向臻 ， 张春 明
（环境 保护部核 与辐射安全 中心 ， ｊ Ｅ 京１ ０ ０ ０ ８ ２ ）
摘要 ： 分别使用 Ｓ Ｃ Ａ Ｌ Ｅ软件 包和两种近似方法进行组件 和堆 芯中子学分 析 ， 进 而对 Ｓ ｉ Ｃ 、 先进铁 合 金和钼等事故容错包壳材料 以及 ｕ ３ ｓ ｉ ： 、 Ｕ Ｎ和 ｕ—Ｍｏ等芯 块材 料进行 中子经济性评 价。结果表明 ： 除 了Ｓ ｉ Ｃ外 ， 金属包壳均有 显著的 中子惩 罚 ， 需 通过 提高燃 料富集 度或减 少包壳厚 度进 行 补偿 ； 高密 度芯
日本福岛核事故以后 ， 国际上对核燃料 的
等难熔金属。改进型锆合金主要是在包壳外表
Leabharlann Baidu
研发重点 由提高其可靠性和经济性转向增强其 事故容错性 能。美 国能源部定 义… ： 事故容错
燃料（ Ａ Ｔ Ｆ ） 与Ｕ Ｏ ： 一 锆合 金燃料 系统 相 比， 能 够在 更 长 时 间 内承受 堆 芯 有 效 冷 却 的丧 失 ， 同 时在核 电厂正常运行和事故等各种工况下均能 保持或提高燃料性能。因此 ， Ａ Ｔ Ｆ需 至少具备 下列改进之一： 显著减少包壳 一 蒸 汽反应 中的 产热及产氢 ； 提高事故后燃料的机械完整性 ； 加 强裂变产物包容能力 ； 改进熔点 、 热导率等包壳
第３ ６卷
２ ０ １ ６年
第 ９期
９月
核 电子 学 与探测 技术
Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ０ １ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． ９
Ｓ ｅ ｐ ｔ ． ２ ０１ ６
（ ７ ５ Ｆ ｅ一２ ０ Ｃ ｒ一５ Ａ １ 和 Ｃ ３ ５ Ｍ Ｎ ６ ） 、 Ｏ Ｄ Ｓ Ｆ ｅ Ｃ ｒ Ａ １
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６— ０ ８—１ ８
基金项 目： 国家科 技重 大专项 （ ２ ０ １ ３ Ｚ Ｘ ０ ６ ０ ０ ２ ０ ０ １ ） 资
助。
作者 简介 ： 潘 听怿 （ １ ９ ８ ３一） ， 男， 安徽 黄 山人 ， 工程 师， 主要从事反应堆物理研究 。通信作 者 ： 兰兵 ， 男，
块如 Ｕ ］ Ｓ ｊ 通常能够提 高中子经济性 ， 但 由于过 高的” 。 Ｕ含量 ， Ｕ Ｎ无 明显经济性优势 。
关键词 ： 事故容错燃 料 ； 中子经济性 ； 包壳； 芯块
中图分 类号 ： Ｔ Ｌ ３ ５ ２ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ｏ ２ ５ ８ － ０ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ６） ９ － ０ ９ ５ ８ － ０ ４
或芯块 性质 。
面喷涂耐腐蚀和高温氧化的涂层材料 ， 如Ｍ Ａ Ｘ 相陶瓷 、 Ｓ ｉ Ｃ和铬 （ Ｃ ｒ ） 等。事故容错燃料 芯块
的主要改进方 向是采用高热导率材料 以降低芯 块温度和储能 ， 如Ｕ Ｎ、 Ｕ ３ Ｓ ｉ ２ 和 Ｕ—Ｍ ｏ等。现 阶段国际上正在利用理论分析和性能试验等手
一
Ｚ ｒ ４ 燃料作为参考 。
Ｍ ｏ 混合物芯块 中 Ｍ ｏ含量为 ６ ％， 此 时仍采用
表 １ 候 选 事 故 容 错 包 壳 材 料 成 分
材料
ＣＶＤ —Ｓ ｉ Ｃ Ｆ Ｃｒ Ａ Ｊ Ｃ３ ５ＭＮ６ Ｄ１ ５ ５ ＹＭＴ １ ４ Ｙ’ ＷＴ —ＣＲ Ｔ
Ｆ ｅ
一 ７ ５ ７８ ． ６ ６ ７ ９． ０ ８ ８ ３． ３
Ｃ ｒ
一 ２ Ｏ ｌ ３ ｌ ４ ． ５ ５ ｌ ４
Ａ Ｉ
一 ５ ５． １ ４． ７ ５ 一
容错 燃料 主要 候选 材料 进行 中子 学分析 和 经济
候选事故容错包壳材料主要包括新材料和 改进型锆合金 。新材料相对锆合金提高 了耐高 温氧化能力和高温强度 ， 目前重 点研究 的包括
纤维增强 Ｓ ｉ Ｃ复合材料 （ Ｓ ｉ Ｃ ｆ ／ Ｓ ｉ Ｃ ） ， 铁素体 Ｆ ｅ —
性评价 ， 从而为 Ａ Ｔ Ｆ的最终选型提供参考。
Ｃ ｒ Ａ １ 合金 、 纳米铁素体合金 （ Ｎ Ｆ Ａ ） 和氧化物弥 散强化 （ Ｏ Ｄ Ｓ ） 合金等先进铁合金 ， 以及钼 （ Ｍ ｏ ）
１ 组件 中子学分析方 法
组件 中子 学分析是通过计 算单 个 Ａ Ｔ Ｆ组
件的反应性评价其 中子经济性 。本课题研究的 事故 容 错 包壳 材 料 包 括 采 用 化 学 气 相 沉 积 （ Ｃ Ｖ Ｄ） 工艺制备 的 Ｓ ｉ Ｃ、 Ｍｏ 、 两种 Ｆ ｅ Ｃ ｒ Ａ Ｉ 合 金
工程师 ， Ｅ—ｍ ａ ｉ ｌ ： ｌ ａ ｎ ｂ ｉ ｎ ｇ ＠ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｎ ｓ ｃ ． ｃ ｎ 。
９ ５ ８
合 金 Ｄ１ ５ ５ Ｙ ＭＴ、 Ｎ Ｆ Ａ Ｆ ｅ Ｃ ｒ Ｗ 合金 ｌ ４ ｒ— Ｃ Ｒ Ｔ， 具 体 材料 成 分 见 表 ｌ ， 此 时仍 采 用 Ｕ Ｏ 芯 块 。 由于涂 层相 对 较 薄 （＜２ ０ ｍ） ， 其 对 改 进
面， 会影响其中子经济性 。某种 Ａ Ｔ Ｆ具备 工程 应用价值的前提条件之一是在允许 的富集度水 平下可 保持 现有 的循 环 长度 和输 出功 率 。 本课题从压水堆燃料组件和堆芯两方面对事故
型 锆合金 的 中子 经济 性影 响不 大 。 研究 的事 故 容 错 芯 块 材 料 包 括 ｕ ， Ｓ ｉ ： 、 Ｕ Ｎ 和 Ｕ —Ｍ ０ ， 其中 Ｕ Ｎ 中 Ｎ 含 量 为 １ ０ ０ ％， Ｕ—
Ｚ ｒ ４包壳。同时分析 了 ｕ ３ ｓ ｉ ２ 一 Ｓ ｉ Ｃ和 Ｕ Ｎ— Ｓ ｉ Ｃ 两种完全 Ａ Ｔ Ｆ燃料 组件。上述分析均 以 Ｕ Ｏ ：
事故 容 错 燃 料 包 壳 和芯 块 材 料 中子 学 分 析
潘 昕怿 ， 兰兵 ， 贾斌 ， 李铁 萍 ， 韩 向臻 ， 张春 明
（环境 保护部核 与辐射安全 中心 ， ｊ Ｅ 京１ ０ ０ ０ ８ ２ ）
摘要 ： 分别使用 Ｓ Ｃ Ａ Ｌ Ｅ软件 包和两种近似方法进行组件 和堆 芯中子学分 析 ， 进 而对 Ｓ ｉ Ｃ 、 先进铁 合 金和钼等事故容错包壳材料 以及 ｕ ３ ｓ ｉ ： 、 Ｕ Ｎ和 ｕ—Ｍｏ等芯 块材 料进行 中子经济性评 价。结果表明 ： 除 了Ｓ ｉ Ｃ外 ， 金属包壳均有 显著的 中子惩 罚 ， 需 通过 提高燃 料富集 度或减 少包壳厚 度进 行 补偿 ； 高密 度芯
日本福岛核事故以后 ， 国际上对核燃料 的
等难熔金属。改进型锆合金主要是在包壳外表
Leabharlann Baidu
研发重点 由提高其可靠性和经济性转向增强其 事故容错性 能。美 国能源部定 义… ： 事故容错
燃料（ Ａ Ｔ Ｆ ） 与Ｕ Ｏ ： 一 锆合 金燃料 系统 相 比， 能 够在 更 长 时 间 内承受 堆 芯 有 效 冷 却 的丧 失 ， 同 时在核 电厂正常运行和事故等各种工况下均能 保持或提高燃料性能。因此 ， Ａ Ｔ Ｆ需 至少具备 下列改进之一： 显著减少包壳 一 蒸 汽反应 中的 产热及产氢 ； 提高事故后燃料的机械完整性 ； 加 强裂变产物包容能力 ； 改进熔点 、 热导率等包壳
第３ ６卷
２ ０ １ ６年
第 ９期
９月
核 电子 学 与探测 技术
Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ０ １ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． ９
Ｓ ｅ ｐ ｔ ． ２ ０１ ６
（ ７ ５ Ｆ ｅ一２ ０ Ｃ ｒ一５ Ａ １ 和 Ｃ ３ ５ Ｍ Ｎ ６ ） 、 Ｏ Ｄ Ｓ Ｆ ｅ Ｃ ｒ Ａ １
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６— ０ ８—１ ８
基金项 目： 国家科 技重 大专项 （ ２ ０ １ ３ Ｚ Ｘ ０ ６ ０ ０ ２ ０ ０ １ ） 资
助。
作者 简介 ： 潘 听怿 （ １ ９ ８ ３一） ， 男， 安徽 黄 山人 ， 工程 师， 主要从事反应堆物理研究 。通信作 者 ： 兰兵 ， 男，
块如 Ｕ ］ Ｓ ｊ 通常能够提 高中子经济性 ， 但 由于过 高的” 。 Ｕ含量 ， Ｕ Ｎ无 明显经济性优势 。
关键词 ： 事故容错燃 料 ； 中子经济性 ； 包壳； 芯块
中图分 类号 ： Ｔ Ｌ ３ ５ ２ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ｏ ２ ５ ８ － ０ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ６） ９ － ０ ９ ５ ８ － ０ ４
或芯块 性质 。
面喷涂耐腐蚀和高温氧化的涂层材料 ， 如Ｍ Ａ Ｘ 相陶瓷 、 Ｓ ｉ Ｃ和铬 （ Ｃ ｒ ） 等。事故容错燃料 芯块
的主要改进方 向是采用高热导率材料 以降低芯 块温度和储能 ， 如Ｕ Ｎ、 Ｕ ３ Ｓ ｉ ２ 和 Ｕ—Ｍ ｏ等。现 阶段国际上正在利用理论分析和性能试验等手
一
Ｚ ｒ ４ 燃料作为参考 。
Ｍ ｏ 混合物芯块 中 Ｍ ｏ含量为 ６ ％， 此 时仍采用
表 １ 候 选 事 故 容 错 包 壳 材 料 成 分
材料
ＣＶＤ —Ｓ ｉ Ｃ Ｆ Ｃｒ Ａ Ｊ Ｃ３ ５ＭＮ６ Ｄ１ ５ ５ ＹＭＴ １ ４ Ｙ’ ＷＴ —ＣＲ Ｔ
Ｆ ｅ
一 ７ ５ ７８ ． ６ ６ ７ ９． ０ ８ ８ ３． ３
Ｃ ｒ
一 ２ Ｏ ｌ ３ ｌ ４ ． ５ ５ ｌ ４
Ａ Ｉ
一 ５ ５． １ ４． ７ ５ 一
容错 燃料 主要 候选 材料 进行 中子 学分析 和 经济
候选事故容错包壳材料主要包括新材料和 改进型锆合金 。新材料相对锆合金提高 了耐高 温氧化能力和高温强度 ， 目前重 点研究 的包括
纤维增强 Ｓ ｉ Ｃ复合材料 （ Ｓ ｉ Ｃ ｆ ／ Ｓ ｉ Ｃ ） ， 铁素体 Ｆ ｅ —
性评价 ， 从而为 Ａ Ｔ Ｆ的最终选型提供参考。
Ｃ ｒ Ａ １ 合金 、 纳米铁素体合金 （ Ｎ Ｆ Ａ ） 和氧化物弥 散强化 （ Ｏ Ｄ Ｓ ） 合金等先进铁合金 ， 以及钼 （ Ｍ ｏ ）
１ 组件 中子学分析方 法
组件 中子 学分析是通过计 算单 个 Ａ Ｔ Ｆ组
件的反应性评价其 中子经济性 。本课题研究的 事故 容 错 包壳 材 料 包 括 采 用 化 学 气 相 沉 积 （ Ｃ Ｖ Ｄ） 工艺制备 的 Ｓ ｉ Ｃ、 Ｍｏ 、 两种 Ｆ ｅ Ｃ ｒ Ａ Ｉ 合 金
工程师 ， Ｅ—ｍ ａ ｉ ｌ ： ｌ ａ ｎ ｂ ｉ ｎ ｇ ＠ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｎ ｓ ｃ ． ｃ ｎ 。
９ ５ ８
合 金 Ｄ１ ５ ５ Ｙ ＭＴ、 Ｎ Ｆ Ａ Ｆ ｅ Ｃ ｒ Ｗ 合金 ｌ ４ ｒ— Ｃ Ｒ Ｔ， 具 体 材料 成 分 见 表 ｌ ， 此 时仍 采 用 Ｕ Ｏ 芯 块 。 由于涂 层相 对 较 薄 （＜２ ０ ｍ） ， 其 对 改 进